Powerpoint

Ultrakurze Lichtblitze
Wie bewegen sich
e
e Elektronen
in Molekülen ?
Thomas Pfeifer
InterAtto Projekt
MPI – Kernphysik, Heidelberg
Laseranwendungen
z.B.
Lightshows bei Konzerten
Laser Pointer
http://www.techlasers.com/images/products/
35mW-Green-Laser-Pointer-infiniti-series-working-status
Quelle: http://blog.taragana.com/wp-content/uploads/2009/06/laser-025.jpg
Laseranwendungen
CD-/DVD-Spieler, Recorder
http://www.bundesregierung.de/Content/EN/Artikel/2007/08/Bilder/hightech-strategieoptische-technologien-cd-spieler,property=default.jpg
Datenübertragung
http://www.delen.polito.it/var/delen/storage/images/research/telecommunications/optic
al-communication-group-optcom/fiber_optics/6969-1-eng-GB/fiber_optics_large.jpg
optische Fasern
Physik Nobelpreis 2009, Charles K. Kao
Laseranwendungen
Laser-Drucker
http://laser-printer-reviews.com/laser-printer-guides/
laser-printer-buyers-guide.gif
Laser-Maus
http://img.tomshardware.com/us/2005/11/18/the_ultimate_
mouse_hunt_part_two/laser_mouse_6000_1.jpg
Laseranwendungen
Materialbearbeitung
Laserscanner (Supermarkt)
http://www.acceler-ray.com/Cutting1.jpg
http://img.tfd.com/cde/BARSCAN1.GIF
Laseranwendungen
Medizinische Lasertechnik
http://i.dailymail.co.uk/i/pix/2008/09/01/article-0-00D0D684000004B0-763_468x286.jpg
Augenmedizin, Chirurgie (Laserskalpell)
Laser in der Wissenschaft
(Grundlagenforschung)
http://opticsclub.engineering.ucdavis.edu/home_files/laser.jpg
http://www.lpi.usra.edu/lunar/missions/apollo/apollo_15/images/laser_beam_lg.gif
Spiegel auf dem Mond
Apollo 15 Mission
Laser in der Wissenschaft
(Grundlagenforschung hier am Institut)
Erzeugung kurzer Laserblitze
(genannt “Pulse”) im Labor
Beobachtung und Kontrolle
der Bewegung von kleinsten Teilchen
(z.B. Elektronen, Moleküle, ...)
Licht ist wie ...
Wasserwellen:
Schwingungen der
Wasserhöhe
Lichtwellen:
Schwingungen des
elektrischen Feldes
http://files.turbosquid.com/Preview/Content_2009_07_15__08_55_43/water.jpgb064ca7a-6e65-49a8-82ad-bf6ea7633c28Large.jpg
Licht ist wie ...
http://files.turbosquid.com/Preview/Content_2009_07_15__08_55_43/water.jpgb064ca7a-6e65-49a8-82ad-bf6ea7633c28Large.jpg
Kohärenz
Dj=?
lateinisch “cohærere”
co-:
dt. “zusammen-“
hærere: dt. “hängen, halten, kleben“
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
(dt.: Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission)
Licht-Verstärker
(z.B. angeregtes Gas, Kristall)
Stimulierte Emission
Vorher
Angeregter
Zustand
GrundZustand
Während der
Emission
Nachher
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
(dt.: Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission)
Licht-Verstärker
(z.B. angeregtes Gas, Kristall)
...
...
http://farm3.static.flickr.com/2179/1719373904_2110f86758.jpg
http://www.fengshuiform.com/images/
Candle_Holder_Large_Infinity_Candle_Holder.jpg
LASER
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
(dt.: Licht-Verstärkung durch Stimulierte Strahlungsemission)
Licht-Verstärker
(z.B. angeregtes Gas, Kristall)
Resonator
(Rückkopplung)
Spektren und Lichtwellen
Sonnen-Spektrum
Laser-Spektrum
Pulslaser-Spektrum
Unterschied: alle Farben synchron)
Bild-Quellen: http://www.bhakti-love.com/fotos/sonnenlicht.jpg,
http://climate.met.psu.edu/www_prod/data/frost/images/rainbow.jpg
Laserlabor und Lasersicherheit
Ultrakurze Licht-Pulse
1 Femtosekunde = 10
-15
Sekunden
1000000000000000
Beobachtung schneller Prozesse
Ref: Ulrich Weichmann, Department of Physics, Wuerzburg University
Beobachtung schneller Bewegung
Beispiel: Fotografie
Quelle: Physikalisches Institut, Universität Würzburg
Zeitskala
kürzester kontrollierter
Lichtpuls/-blitz
im Labor
80 AttoSekunden
1 Sekunde
menschliche
Zeitskala
elektronische
Zeitskala
Kernphysikalische
Zeitskala
Alter des Universums
14 Mrd. Jahre
molekulare
Zeitskala
Kameras
Puls-Laser
geologische/astronomische
Zeitskala
Beobachtung schneller Bewegung
von großen
Objekten
von kleinen
Objekten
z.B. Elektronen
Laser-Puls zu lang
Bildquelle: http://startswithabang.com/?p=1795
Laser-Puls kurz genug
(Attosekunden-Pulsdauer)
Wie “lang” ist eine Attosekunde?
1 as = 0.001 fs
0.000 001 ps
0.000 000 001 ns
0.000 000 000 001 s
0.000 000 000 000 001 ms
0.000 000 000 000 000 001 s
1
5 fsFemtosekunde
10
= 100 Attosekunden
Ein Lichtblitz von
5 fs Dauer
ist
1.5 m lang
Quelle: Physikalisches Institut, Universität Würzburg
Ein Lichtblitz von 1 Attosekunde Dauer
ist 0.3 nm lang.
Ultrakurze Licht-Pulse
1 Femtosekunde = 10
-15
Sekunden
1000000000000000
Leistung
=
Arbeit, Energie
Zeit
Beobachtung schneller Prozesse
Ref: Ulrich Weichmann, Department of Physics, Wuerzburg University
Konzentrierung/Verdichtung von Energie
in Zeit und Raum
Kurze Pulse  Hohe Leistungen
Arbeit
100J
Leistung =
= 20 GW
=
Zeit
5 fs
Plasma
e-
e-
+
X+ X
X+ + +
X X
e- - ee
5-FemtosekundenLaserlichtpuls
W
20 GW
20
= 2  10
2
m2
(10 m)
zum Vergleich: Sonneneinstrahlung auf Erde: 1.4 
103
W
m2
Licht-Materie Wechselwirkung
Wirkung des Laserfeldes auf Elektronen
E(t)
Intensität
Elektrisches Feld
I =
E=
2∙1020 W/cm2
4∙1011 V/m
Kraft
F = 64
nN
Masse des Elektrons me= 9 ∙ 10-31 kg
Beschleunigung
a = 7 ∙ 1022 m/s2
F=m∙a
ungefähr 1022 fache Erdbeschleunigung
e-
F
2000 Attosekunden
konstante Beschleunigung für 200 Attosekunden:
Geschwindigkeit v = 3 ∙106 m/s
= 5% c (Lichtgeschwindigkeit)
Lichtwelle
E(t)
Attosekundenpulserzeugung
beschleunigte Ladung
strahlt Licht ab !
Plasma
e-
e-
+
X+ X
X+ + +
X X
e- - ee
5-FemtosekundenLaserlichtpuls
Experiment
100-Attosekunden
Röntgenpuls
Experimenteller Aufbau im Labor
Schnelle Bewegung kleiner Teilchen
Wissenschaftliche Fragestellung:
“Wie bewegen sich Elektronen
in Atomen und Molekülen?”
eDauer eines „Umlaufes“ um den Atomkern:
(viel) kleiner als 1 Femtosekunde
1 Attosekunde = 10-18 Sek.
Elektronenwelle
(Wellenfunktion |(r,t)|2)
Moleküle
?
+
e
e
+
Grundlage jeder
chemischen Reaktion
Elektronenbewegung in Molekülen
Simulation
im Wasserstoff-Molekül H2
klick!
klick!
Elektronenbewegung in Molekülen
Simulation
im Wasserstoff-Molekül H2
klick!
Elektronenbewegung in Molekülen
Simulation
im Wasserstoff-Molekül H2
klick!
Experimentelles Ergebnis
kinetische Energie
Manuel Kremer, Joachim Ullrich und Mitarbeiter
Fachzeitschrift: Physical Review Letters, gerade im Druck
klick!
H
H
Elektronenbewegung in Molekülen
H
H
C C
C H
C
C C
H
H
H
H
C C
C H
C
C C
H
H
Simulation
im Benzol-Molekül C6H6
Elektronenbewegung in Molekülen
(Schwefelhexafluorid, SF6)
SF6
F
SF4++
F
++
F
F
S
e-
F
F
S
F
F
S
F
F
F
++
e-
Anzahl der Teilchen
AttosekundenLichtpuls
zum Start der Bewegung
F
F
F
später
SF+
S+
Anzahl der Teilchen
F
SF2++
F
SF4++
Zeitverzögerung, Wartezeit
Zeit in Femtosekunden
SF2++ [4]
Zeit in Femtosekunden
Laser-Pulsformung
SF4++
++
F
F
SF6
S
F
F
F
F
F
S
F
F
F
SF2++
++
F
S
F
Messung von Lichtwellen
(vgl. Oszilloskop)
Elektronenenergie in eV
Zeit
Zeit in Femtosekunden
Laser in der Wissenschaft:
Attosekunden-Pulse zur
Beleuchtung
von
Elektronen-Bewegung
in Molekülen
SF6
F
F
F
S
e-
F
F
AttosekundenLichtpuls
F
e-